用于监控肢体机能使用的方法和系统的制作方法

专利名称：用于监控肢体机能使用的方法和系统的制作方法
用于监控肢体机能使用的方法和系统本发明涉及一种监控肢体机能使用的方法和系统。此外，本发明还涉及一种计算 机程序。半侧瘫痪(偏瘫)是诸如中风之类的神经系统紊乱中的一种最常见症状。康复必 须以恢复肢体的机能使用，即恢复肢体在日常生活活动中的机能使用为目标。使用患肢是 取得康复成功的最佳方法。不过，很多患者并不愿意使用患肢。众所周知，患有运动障碍的人们常常较少使用身体受损部位，而过度使用身体其 它部位。例如，走路时，与不健康的腿相比，健康的腿通常负载更多。这一不平衡性帮助功 能缺损者在一定程度上补偿了残疾。从长期来看，这可能导致健康的肢体由于过度使用而 损害，并进一步削弱受损肢体或身体受损部位。通常，需要进行康复练习，由此增强被忽视的肢体并建立单个患者能够执行的最 自然动作模式。在一定程度上，患者可在家中使用镜子或摄录来继续这些练习。这些系统 存在许多缺点监控运动的时间局限于执行这些康复练习的时间，而肢体的日常使用并未 得到监控。只有在患者执行人为的治疗运动时才对其运动进行分析。可以得知，这些运动 的进展并未转化成日常生活的机能运动。治疗师/患者关系需要访问机构(康复中心、诊 所)。当患者观察他自己的姿势和不对称运动时，他可能会宽恕特定的缺陷。缓慢发展的缺 陷由于被认为是典型的行为表现而得不到(专业人士和患者双方的)注意。人们很难在没 有历史数据可供参考的情况下判断身体行为表现的逐步变化。关于动作模式中不对称性的技术解决方案大部分基于视频监控，其将监控限制在 指定位置并执行特定任务。另一种方式是使用具有可感测重量负荷对称性的鞋底的鞋子。 然而，该方法局限于评价腿的使用不足/过度使用，而不能用于分析例如走路时的动作模 式。本发明的目的是提供一种能够很容易地对患者肢体正确机能使用进行监控的技 术。根据本发明，这一目的是通过一种监控肢体机能使用的方法来实现的，该方法包 括如下步骤-使用测量单元，执行运动数据的持久且无人监管的测量，其中，所述测量单元的 至少一些部分由被监控患者携带，_分析所述运动数据，-确定运动的周期性C，-根据运动周期性C确定运动的同步性S,-存储运动同步性值S和/或将有关情况通知患者。本发明的目的还通过一种监控肢体机能使用的系统来实现，该系统包括测量单元 和数据单元，所述测量单元的至少一些部分由被监控患者携带，所述测量单元用于执行运 动数据的持久且无人监管的测量，所述数据单元用于_分析所述运动数据，-确定运动的周期性C，
-根据运动周期性C确定运动的同步性S，-存储运动同步性值S和/或将有关情况通知患者。所有系统模块均可执行根据本发明的方法。所有设备和单元，例如测量单元和数 据单元，以如下方式构造和编程使用于获得数据、数据处理和系统控制的程序根据本发明 的方法运行。本发明的目的还通过一种将在计算机中运行的计算机程序来实现，所述计算机程 序用于在测量单元的至少一些部分由被监控患者携带的情况下，使用在所述测量单元执行 持久且无人监管的测量期间获得的运动数据，监控肢体的机能使用，该程序包括在计算机中运行该计算机程序时，-用于分析所述运动数据的计算机指令，_用于确定运动周期性C的计算机指令，_用于根据运动周期性C确定运动同步性S的计算机指令，-用于存储运动周期性值S和/或将有关情况通知患者的计算机指令。因而，本发明的技术效果可以基于本发明的计算机程序指令来实现。这样的计算 机程序可存储在诸如CD-ROM之类的载体上，或者其可在因特网或其它计算机网络上获得。 在运行前，通过例如借助于CD-ROM播放器从载体上读取计算机程序，或者从因特网读取计 算机程序，并将其存储在计算机的存储器中，从而将计算机程序加载到计算机中。计算机包 括中央处理器单元(CPU)、总线系统、诸如RAM或ROM等的存储器装置、诸如软盘或硬盘单元 等的存储装置以及输入/输出单元等等。或者，本发明的方法可实现为硬件，例如使用一个 或多个集成电路。本发明涉及患有运动障碍的患者，尤其是偏瘫患者的康复领域。使用本发明，可以 在家庭环境中进行长期(例如，昼夜)的患者活动监控。本发明的核心思想是根据运动周 期性确定患者运动的同步性，由此评价肢体的机能使用。使用该方法，能够根据患者的日常 生活活动进行肢体使用的可靠评估。使用本发明，能够监控康复的进展状况并能向治疗师 和患者提供有关康复进展状态的信息。它进一步使治疗师和患者认识到肢体使用的不足。 它还能够在患者进行某些运动时向患者(或治疗师)实时提供反馈。本发明的这些方面及其它方面将基于权利要求书中定义的如下各实施例做出进 一步的阐述。与基于各受影响肢体的整体动作量做出评估的现有技术相比，本发明提供了一种 评估运动信息的改进方式。根据本发明的优选实施例，分析运动数据的步骤包括对患者的 运动进行分类。这种分类包括确定移动模式，尤其是不同类型的周期性运动，例如走步、跑 步。可以假设，周期性运动都是机能性的。如将评估限制于周期性运动，那么，与先前已知 的评估技术相比，评估结果对于评价康复的进展更有价值。在优选情况下，根据这种运动的分类设置周期性阈值Ctlt5换言之，阈值的选择取决 于肢体运动的种类，例如走步或是跑步。因此，不同的肢体运动可得到不同的关注。这使得 能够进行一个复杂的鉴别和评估过程。在本发明的优选实施例中，只有在运动周期性值C超过周期性阈值Ctl时才确定运 动的同步性S。换言之，只有在患者运动是周期性时才确定运动的同步性。只有在这种情况 下才期望对称运动。对数据进行筛选的这一方法简化了监控方法和监控系统两者的监控，从而显著降低了监控成本。此外，由于仅针对某些周期性运动评估肢体运动的对称性，因此 评估不会受到非机能运动的扭曲。为了量化运动的同步性，同步性阈值Stl在优选情况下根据运动分类进行设置，从 而考虑到不同的同步性值适用于不同的运动。在本发明的另一实施例中，同步性阈值Stl(至 少从特定监控时间开始)根据先前和/或当前的同步性值S进行动态调整。因而可以考虑 具体患者的治疗过程。在本发明的另一优选实施例中，将运动同步性S与同步性阈值Stl进行比较，仅在 运动的同步性值S低于同步性阈值Stl时通知患者。如果运动的同步性值S仍然在同步性 阈值Stl之上，则不需要通知，因为已经达到了目标同步性(即根据所需要的康复过程的肢 体运动)。在本发明到另一优选实施例中，实现了生物反馈方法，在该方法中通知的类型取 决于所确定的同步性S。例如，可使用发送音频和/或视频信号或相应肢体的机械/电刺 激。此外，在某种意义上对反馈进行量化使得反馈取决于所确定的同步性S同时考虑所确 定的患者运动类型而有所区别。这样的反馈使得患者能够更好地接受监控方法。在本发明的又一实施例中，通知的时间取决于患者的实际运动。换言之，当患者实 际上刚刚停止跑步且现在正在喝一杯茶时，不会通知他某一运动的进步或倒退，例如跑步 时他左臂的活动状态。然而，患者再次开始跑步后不久，他就可能相应地得到通知。在本发明的优选实施例中，测量单元包括若干惯性传感器，用于获得“动态”运动 数据。这和现有技术大不相同，在现有技术中使用“静态”数据，例如体位等。可以使用不 同类型的惯性传感器。然而，优选使用加速度计、陀螺仪和磁强计设备。为了监控患者运动 模式的对称性，这些传感器设备在优选情况下由患者穿戴在受影响肢体及其对应肢体上， 例如(受影响的)左臂和(健康的)右臂。本发明具体涉及一种监控患者肢体周期性运动中不对称性的系统和方法，包括使 用附着在肢体和躯干上的加速度计并且分析运动的对称性。该分析借助于数据处理设备来 执行，数据处理设备运行算法以评估肢体运动的整体对称性或用对称性实时表征的动作模 式。系统包括用于通知患者对称地使用肢体成功或者失败的反馈装置，。此外，系统可以包 括反馈装置，以供物理治疗师控制患者顺应性和治疗的成功。使用本发明，可以使用患者配 戴系统进行长期无人监督的运动监控，该患者配戴系统能够很容易地监视患者肢体的正确 机能使用。本发明的这些方面及其它方面将在下文通过举例说明的方式参照如下各实施例 及各附图进行详细的描述；在附图中

图1示出了用户身穿根据本发明的系统的示意图；图2示出了根据本发明的系统部件的示意图；图3示出了根据本发明的方法的简化流程图；图4示出了患者喝茶时的传感器读出；图5示出了患者走步时的传感器读出；图6示出了第一加速度计直方图；图7示出了第二加速度计直方图。图1和2中示出了根据本发明的监控系统。该系统包括测量单元2和数据单元3。至少一个电源(例如电池4)为系统1的一部分。测量单元2用于执行患者5运动数据的持久且无人监管的测量。测量单元2包括 若干测量传感器，用于测量患者5的运动。使用两个或多个以加速度计6形式的惯性传感 器作为测量传感器。为了本发明的目的，将两个加速度计6、6'至少放置在受影响的肢体7 和相应健康的肢体8上。加速度计6、6'用于提供在采样率为204. 8MHz时分辨率大约10_3g 情况下测量范围为士2g内的信号。然而，可以采用其它类型的运动传感器。加速度计6、 6'配戴在两个相等身体部分(例如胳膊、手、腿、臀部)上的对称位置处。第三加速度计9 配戴在沿着患者5身体的ζ轴的中间位置处，用作参考。在优选情况下，将附加的第三加速 度计9附着于患者5的躯干。优选情况下，加速度计6、6'、9作为镯状物环绕胳膊或腿配戴，或者与患者的内 衣等集成在一起。然而，它们同样可以作为帖片或植入物配戴。测量感测数据的频率可以 是固定的或者与运动相适应。例如，与缓慢运动相比，快速走步需要的采样速率可能要高。测量单元2具体包括数据通信装备11，其用于将测量数据发送至数据单元3。每 个加速度计6、6'、9用于发送其运动型式。运动型式由x、y和ζ方向中的传感器加速度数 据以及优选时间戳组成。数据单元3包括数据通信装备12，其用于接收来自测量单元2的数据并且在优选 情况下用于向另外的外部设备发送数据。换言之，数据单元3用于收集来自三个或更多加 速度计6、6'、9的测量数据。数据不断地从各传感器流向数据单元3。通过电缆13或通过 使用无线通信线路将数据发送至数据单元3。数据单元3存储数据以供离线处理，或者直接 分析数据，后面还将对此做出详细描述。为进行数据存储，数据单元3包括集成的存储设备 14。或者，可将数据从测量单元2和/或数据单元3发送至中央存储单元15，该单元在优选 情况下可由患者5携带。通过使用无线通信线路16将数据发送至中央存储设备15。中央 存储单元15可以是专用设备，也可以是移动电话或相应配置的另一器具。数据单元3还包括处理装置17，其用于执行处理和计算所接收运动数据以及确定 和评价结果的所有任务并控制内部或外部的通知装置，后面还将对此做出详细描述。在优 选情况下，使用微处理器作为处理装置17。数据单元3还包括计算机程序18，其由处理装 置17运行，用于当在处理单元中运行软件时执行本发明方法的各步骤。处理装置17可以 包括以硬件或软件或者软硬件结合方式实现的各功能模块或单元。在优选情况下，完整的监控系统1，尤其是测量单元2的所有部件由被监控的患者 5来携带。数据单元3可以与加速度计6、6'、9中的一个相结合或者与测量设备2相结合。 或者，测量单元2和数据单元3可以分开，例如测量单元2由患者5配戴，而数据单元3贴 近患者5或由患者5分开携带，例如实现在移动电话或便携式计算机或另一手持设备中。所有系统装置用于执行根据本发明的方法。所有设备和单元，尤其是测量单元2 和数据单元3以如下方式构造和编程，即用于获得数据、进行数据处理和系统控制的过程 根据本发明的方法运行。下面参照图3描述根据本发明的方法。在第一步100中，通过测量单元2的加速 度计6、6'、9获得患者5胳膊运动的运动数据DpD215数据单元3接收这些运动数据，在第 二步101中，数据单元3对采集到的数据进行分析，以便区分周期性运动(例如走步)和非 周期性运动(例如吃饭)。换言之，由数据单元3根据周期性和非周期性活动对患者5的
6运动进行分类。分类包括确定在标准运动，尤其是不同类型的周期性运动(例如走步、跑步 等)期间发生的典型运动模式。术语“周期性”用于诸如走步、爬楼梯和跑步的活动，这些 活动展示出周期性重复自身的运动模式。下面的文献中给出了有关运动分类的进一步信 息:A. Schnitzer、0. Such、G. Schmitz"Ein tragbares System fiir die Bewegungsanalyse zur Unterstiitzung deskardiologischen Dauermonitoring，，Proceedings DGBMT 2005 Biomedizinische Technik, Band49, ErgSnzungsband 2，第 252 页，ISSN0939-4990，其以 引用方式并入本文中。根据分类结果，由数据单元3设置周期性阈值Q。另外，患者5可以 借助于用户界面19指定他当前正在进行哪种类型的运动，例如作为治疗练习的一部分。如 果必要的话，可借助于数据单元3使用如下文所描述的分类算法来识别诸如拿起杯子或打 Jf l、H￥白勺其月个生 舌云力:H Junker"Human Activity Recognition and GestureSpotting with Body-Worn Sensors，，Hartung-Gorre2005，第 37-72 页，其以引用方式并入本文中。如图4和5所示，分类程序使用测量数据。图4示出了在走步期间环绕患者5腕 部的两个加速度计6、6'的原始加速度计读出。示出了来自一个通道的读出。在图表的上 部示出了右臂的运动21，而在图表的下部则示出了左臂的运动22。注意动作的周期性和对 称性两者。图5示出了在喝茶期间环绕患者5腕部的两个加速度计6、6'的原始加速度计 读出。可以清楚地看到，患者5移动他的右臂，而他的左臂保持静止。在这种情况下，观察 不到周期性，也观察不到对称性。数据单元3使用这些测量数据，以便检测周期性运动的类型(像走步、跑步等)。 为此，将测量数据与二维加速度计直方图进行比较，其中，随时间变化描绘出加速度的垂直 水平变化。换言之，使用传感器各测量值间的差来确定与理想运动的偏差，例如与加速度计 直方图的偏差，这用作参考模式。各加速度计直方图是已知各直方图，即它们事先使用大量 类似患者运动生成并存储在数据单元3中，或者是自己生成的直方图，即它们由数据单元3 使用该患者和/或其他患者的现有测量数据生成。图6和7中示出了这种加速度计直方图23的一个示例，其示出了两种运动分类 (在这种情况下缓慢和快速爬楼梯)。条目的亮度表示针对X和y方向中具体加速度的加 速度变化幅度。数据单元3从这些加速度计直方图中确定患者运动的类型。同时，数据单元3量化运动周期性C (步骤102)。这意味着数据单元3计算表示运 动周期性C的数值。在下一步103中，数据单元验证运动的周期性值C是否超过周期性阈值Q。根据 所实现的算法，在本发明的另一实施例中，运动周期性值C等于周期性阈值Ctl也可能是充 分的。在超过周期性阈值Ctl，即患者肢体存在周期性运动的情况下，数据单元3在接下来的 步骤104中确定运动的同步性S。在未超过周期性阈值Ctl的情况下，数据单元3并不确定运动的同步性S，这是由于 没有可用的周期性运动。如果数据单元3确定运动的同步性S，则由数据单元3设置同步性阈值&。由数 据单元3根据步骤101中的运动分类来设置同步性阈值&。例如，如果运动分类揭示出患 者5执行一种特定的运动，则同步性阈值Stl将被设置成与该具体运动相关的(和任选地与 具体患者5相关的)查找表中所定的级别。换言之，在决定同步性阈值Stl时考虑分类。这 同样适用于周期性阈值Q。它也将取决于运动的类型。
在本发明的另一实施例中，同步性阈值Stl (至少从特定监控时间开始)借助于数 据单元3根据现有和/或当前同步性值S进行动态调整。因而，可以考虑具体患者5的治 疗进展。在确定同步性阈值Stl后，由数据单元3将其与测得的实际同步性值S进行比较并 评估是否到达期望的同步性(步骤105)。对于诸如走步或跑步之类的周期性活动而言，期望患者5的胳膊自由且以对称幅 度进行摆动。当例如提包或扶楼梯栏杆时，情况可能并非如此。然后将这些类型的运动划 分为非周期性运动且并不进行评估。在随后的步骤106中，如果达到期望的同步性，数据单元3就存储运动的同步性值 S。或者，如果患者5的实际运动并未达到期望，数据单元3在步骤107中就将同步性值S 存储到数据单元3的数据存储设备14并将有关情况通知患者5。换言之，数据单元3给予 患者5有关他从那时开始执行他的运动的对称性程度的反馈。这样，结果可马上反馈给患 者5。然而，结果也可存储于例如数据存储设备14中或外部中央存储设备15中并由治疗师 进行离线分析。通知将借助于发送音频和/或视频信号或相应肢体的机械/电刺激来执行。通知 装置25，尤其是发送音频和视频信号的装置在优选情况下包括在患者5所配戴或患者5所 携带的数据单元3中。这种发信装置可包括例如扬声器、号码、闪烁灯(例如LED灯)、彩色 指示器等等。使用本发明，可以向患者5给出第一简单类型的反馈可以评估单一肢体的总体 活动(例如进行24h的综合)，并且可以以例如“您今天明显未充分使用您的左侧，请注意。” 或“今天您使用您的左侧比昨天多的多。尽力像这样一直下去。”的形式向患者5给出反 馈。对于拥有相当稳定水平的行为表现且只应当按进度进行的患者5来说，这将是适当的 方法。然而，由于对每个肢体执行动作分类分析，因此可以给出更详细的反馈对于周期 性运动类型，执行对称性分析并可给患者5更具体的反馈，例如“请更加主动地使用您的左 臂来支持您的走步运动”。换言之，如果识别出肢体的非对称使用，则监控系统1相应地提 醒患者5。对于诸如拿杯子或开门之类的非周期性活动而言，不能期望动作是对称的。因此， 这些数据必须进行区别对待。在优选情况下，数据单元3用于评估对于像开门等的活动而 言患者5是否通过仅使用他的强侧来补偿他一侧的虚弱。如果识别出这种模式，则数据单 元3借助于通知装置25提醒患者5。通知的时间取决于实际患者的运动。换言之，当患者5实际上刚刚停止跑步且现 在正在喝一杯茶时，不会通知他某一运动的进步或倒退，例如跑步时他左臂的活动状态。然 而，患者5再次开始跑步后不久，他就可能相应地得到通知。根据具体患者5所期望的治疗方法，数据单元3可执行不同级别的数据分析。数 据的评估例如可以与历史数据(趋势、改进)进行比较，或者与各阈值进行比较，这些阈值 是由治疗师规定的或由数据单元3根据现有或当前测量数据和/或评估结果动态设置的。数据可以用于评价常规进行的平行治疗的结果。具体而言，本发明也可用于支持 具体类型的物理治疗，例如双侧动作训练和强制性诱导疗法。这可为治疗师给出有关治疗师工作成果和质量的反馈。本发明也可用于支持和优化训练，尤其是在具有长期周期性运动的体育运动(即 跑步和游泳)中。这里，不对称性的分析有助于优化动作模式(这目前是在跑步机上使用 视频分析来完成的)。训练期间的不对称性发展也可能是(例如由于过度使用/疲劳)受 伤的早期指标。—些应用路径要求数据的离线分析(例如在个人计算机上或笔记本上)并需要物 理治疗师的专家支持，从而要求相应的基础设施。在这种情况下，数据单元的功能通过外部 离线分析单元26来实现。本领域普通技术人员显而易见的是，本发明并不局限于上述各实施例的细节，并 且本发明在不脱离其精神或本质属性的情况下可用其它具体形式来实现。因此本发明的各 实施例在所有方面应当认为是说明性的而非限制性的，本发明的保护范围由权利要求书而 不是前面的说明书来界定，因此所有落在权利要求书等同意义和范围内的变化都涵摄在本 文中。此外，显而易见的是，“包括” 一词并不排除其它元件或步骤，“一”或“一个” 一词并 不排除多个，而单一元件，例如一个计算机系统或另一单元可以实现权利要求中引述的若 干装置的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对相关权利要求的限制。附图标记
1监控系统
2测量单元
3数据单元
4电池
5患
6加速度计
7受影响的肢体
8健康的肢体
9加速度计
10(无)
11数据通信装备
12数据通信装备
13数据电缆
14数据存储设备
15外部中央存储设
16无线通信线路
17处理装置
18计算机程序
19用户界面
20(无)
21右臂运动
22左臂运动
23加速度计直方图
9
24加速度计直方图25通知装置26外部分析单元100-106各方法步骤
权利要求
一种监控肢体机能使用的方法，包括如下步骤 使用测量单元(2)，执行运动数据的持久且无人监管的测量，其中，所述测量单元(2)的至少一些部分由被监控的患者(5)携带， 分析所述运动数据， 确定所述运动的周期性C， 根据所述运动周期性C确定所述运动的同步性S， 存储所述运动同步性值S和/或将有关情况通知所述患者(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述运动数据的所述步骤包括对所 述患者(5)的运动进行分类。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述运动的分类设置一个周期性阈 iM. C0。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，只有在所述运动周期性值C超过所述周期 性阈值Ctl时才确定所述运动同步性S。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述运动的分类设置一个同步性阈iM. S0。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述同步性阈值Stl根据先前和/或当前 的同步性值S进行动态调整。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述运动同步性S与一个同步性阈值Stl 进行比较，在所述运动同步性值S低于所述同步性阈值Stl时通知所述患者(5)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通知的类型取决于所确定的同步性值S。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通知的时间取决于实际患者(5)的运动。
10.一种监控肢体机能使用的系统(1)，包括测量单元(2)和数据单元(3)，所述测量单 元(2)的至少一些部分由被监控的患者(5)携带，所述测量单元(2)用于执行运动数据的 持久且无人监管的测量，所述数据单元(3)用于_分析所述运动数据，-确定所述运动的周期性C，-根据所述运动周期性C确定所述运动的同步性S，-存储所述运动同步性值S和/或将所述确定结果通知所述患者(5)。
11.根据权利要求10所述的系统(1)，其特征在于，所述测量单元(2)包括若干惯性传 感器，优选为加速度计(6、6 ‘、9)和/或磁强计。
12.—种计算机程序(18)，在测量单元(2)的至少一些部分由被监控的患者(5)携带 的情况下，使用在所述测量单元(2)执行持久且无人监管的测量期间获得的运动数据，监 控肢体的机能使用，所述程序(18)包括在计算机(17)中运行所述计算机程序(18)时，-用于分析所述运动数据的计算机指令，-用于确定所述运动的周期性C的计算机指令，-用于根据所述运动周期性C确定所述运动的同步性S的计算机指令，-用于存储所述运动周期性值S和/或将有关情况通知所述患者(5)的计算机指令。
全文摘要
本发明涉及患有运动障碍的患者的康复领域，尤其是偏瘫患者的康复领域。使用本发明，可以在家庭环境中进行长期(如，昼夜)患者活动监控。本发明的核心思想是根据运动的周期性确定患者运动的同步性，从而评估肢体的机能使用。使用该方法，可以基于患者的日常生活活动对肢体使用做出可靠的评价。使用本发明，可以监控康复的进展状况并可为治疗师和患者提供有关康复过程状态的指导。本发明还使得治疗师和患者意识到肢体使用的不足。
文档编号A61B5/103GK101938940SQ200780008035
公开日2011年1月5日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者A·布劳尔斯, G·兰福曼, O·祖赫, R·D·维尔曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司